超濾膜作載體的生物接觸氧化工藝研究

1、超濾膜作載體的生物接觸氧化工藝研究摘要：針對經(jīng)典的污水處理生化工藝的缺陷，提出用超濾膜作載體的生物接觸氧化處理工藝。試驗(yàn)結(jié)果證明：經(jīng)初沉處理后的生活污水，當(dāng)接觸時間為3h左右時，Dr、BD5、SS和NH3-N的去除率分別可到達(dá)83、92、94和60左右。理論分析亦說明此法在污水生物處理方面前景良好。關(guān)鍵詞：污水處理充氧中空纖維膜生物膜載體StudynBilgialntatxidatinPressithUltrafiltratinebraneasarrierAbstrat：Inviefdefetflassialbiheialasteatertreatentpress,antatxidatinpr

2、essithultrafiltratinebraneasarrierasdevelped.Experientalresultsdenstratedthathentreatingpriarysettleddestiasteaterithntattiefabut3h,therevaleffiieniesfDr、BD5、SSandNH3-Nere83%,92%,94%and60%respetively.Thetheretialanalysisalsshedthatthispressuldhavegdprspetsinbilgialasteatertreatent.Keyrds:asteatertre

3、atent;aeratin;hllfiberebrane;bifil;arrier用好氧微生物處理污水的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)是要保證有足夠的氧氣供微生物氧化水中的有機(jī)物。為保證氧氣供給，一般采用向污水中充氧的方法。生物膜在氧化有機(jī)物的過程中，由于溶解氧的濃度梯度方向與有機(jī)物的濃度梯度方向一致，造成生物膜的底部出現(xiàn)厭氧層，導(dǎo)致生物膜脫落而混入處理水中。因此，要設(shè)二沉池進(jìn)展膜水別離。假設(shè)想獲得一種高效、經(jīng)濟(jì)、緊湊的生化處理系統(tǒng)，關(guān)鍵是找出一個能“靜靜地將氧氣溶解到水中的方法，而微孔膜和選擇性透氣膜材料的出現(xiàn)與推廣使得解決這個關(guān)鍵問題成為可能，這就是所謂的無泡充氧法。無泡充氧法即用疏水性的微孔膜或選擇性透氣

4、膜材料將液、氣兩相互相隔離，根據(jù)Henry定律，氣體可借助于氣、液間的分壓差透過微孔之間的氣、液界面或選擇性透氣膜而溶入或溶出液體。這一過程中沒有肉眼可見的氣泡產(chǎn)生，氧氣自然也可借此充入水中完成充氧過程。根據(jù)上述分析，筆者設(shè)計(jì)了一個將反響器與沉淀池合并的試驗(yàn)裝置，進(jìn)展了污水凈化試驗(yàn)。1材料與方法1.1材料聚偏氟乙烯中空纖維，外徑0.8，內(nèi)徑0.5，微孔最大孔徑0.2，開孔率80%，由天津紡織工學(xué)院提供。1.2試驗(yàn)裝置試驗(yàn)流程如圖1所示。其中反響器用玻璃量筒改制而成，內(nèi)徑60.3，有效容積1.27L。中空纖維組件兼充氧及生物膜載體雙重功能。該組件用塑料片做成支架將中空纖維盤繞其上制成。中空纖維組

5、件間程度間隔5，上下層間隔5，交織布置。膜總外表積為4162，總體積為5043(相當(dāng)于生物膜載體堆積體積)，折算成比外表積為82.52/3，空隙率97%。試驗(yàn)在室溫下進(jìn)展。1.3試驗(yàn)水質(zhì)原水為唐山市西郊污水廠一沉池出水，其水質(zhì)為：Dr100300g/L，BD550150g/L，SS100150g/L，pH7.07.3。2試驗(yàn)過程試驗(yàn)分為對中空纖維特性的測試(包括耐壓性能和微生物生長試驗(yàn))和污水處理試驗(yàn)。測試中空纖維浸在水下時內(nèi)部充氣最大平安壓力的詳細(xì)作法是：將幾根中空纖維兩端用環(huán)氧樹脂封在玻璃管中，然后向浸沒在水中的中空纖維內(nèi)充氣，同時觀察中空纖維外表是否有氣泡出現(xiàn)。結(jié)論是內(nèi)外壓力差4.5kP

6、a就可以保證平安運(yùn)行，且無氣泡產(chǎn)生。微生物生長試驗(yàn)是將上述試驗(yàn)用水換成污水。為進(jìn)步充氣效率，須進(jìn)步中空纖維膜中的氧氣分壓，故向中空膜中充入純氧并維持內(nèi)外壓力差為3.0kPa。在向污水中參加從污水廠曝氣池中獲得的活性污泥進(jìn)展接種后，發(fā)現(xiàn)靠近氧氣進(jìn)氣端的中空纖維外表微生物膜生長較好，而遠(yuǎn)端那么較差，封口端甚至不長。將封口端也接通氧氣后，該端附近的生物膜生長情況好轉(zhuǎn)。經(jīng)分析原因有二：中空纖維內(nèi)充入的是純氧，其中的氮?dú)?、二氧化碳等氣體分壓為零，故水中的上述氣體會從水中溶出而進(jìn)入中空纖維內(nèi)部使其中的氧氣分壓降低。在遠(yuǎn)端隨著氧氣溶入水中導(dǎo)致氧分壓降低幅度較大，使得向水中充氧才能下降，從而影響了微生物的生長

7、。中空纖維內(nèi)氣體的溶進(jìn)與溶出是沿全長進(jìn)展的，所以中空纖維內(nèi)氧氣流動速度在封口端為零，進(jìn)氣端那么最大，這樣就會將已溶入中空纖維的氮?dú)獾葰怏w帶至遠(yuǎn)端。所以在中空纖維內(nèi)沿長度方向氧氣的濃度(分壓)不是均勻分布的，并且由于進(jìn)氣端氧氣流動速度最大，產(chǎn)生的湍流也最強(qiáng)，因此氧氣滲入水中的條件最有利。根據(jù)以上分析，在氣路中加裝一個循環(huán)泵后得到了沿中空纖維全長均勻生長的生物膜。污水處理試驗(yàn)過程那么是將裝置按流程裝配完畢之后接通氧氣，注入污水并參加活性污泥進(jìn)展接種。為了加快生物膜的培養(yǎng)過程，在污水中還參加了用可濕性淀粉、肉汁和一些無機(jī)鹽組成的營養(yǎng)物質(zhì)。經(jīng)2周的培養(yǎng)，生物膜的厚度穩(wěn)定在約為1.2左右，出水變清后停頓

8、添加營養(yǎng)物質(zhì)，并讓生物膜在原污水中適應(yīng)一周后開場測試。3試驗(yàn)結(jié)果表1對BD5、Dr和SS的去除效果水樣編號BD5DrSS進(jìn)水g/L出水g/L去除率進(jìn)水g/L出水g/L去除率進(jìn)水g/L出水g/L去除率11169.691.42254480.421251092.02414382.21117943969.690.01551292450492.01082378.7147129251241389.52033483.061693181.61001090表1中可以發(fā)現(xiàn)，本工藝對BD5、Dr和SS的去除率分別到達(dá)89.5%92%、78.7%83%和90%94%。3.2出水中的原生動物通過顯微鏡觀察，發(fā)如今出水端

9、生物膜上有大量的草履蟲和游仆蟲。另外，出水中也可觀察到微小的水生生物游動。3.3脫除氨氮的效果從試驗(yàn)的26d開場測定進(jìn)、出水的氨氮和亞硝酸鹽濃度(見表2)。由于本工藝的特點(diǎn)是生物膜幾乎不脫落，所以泥齡較長，且隨著泥齡的增長，硝化效果開場顯現(xiàn)出來。表氨氮和亞硝酸鹽的測試數(shù)據(jù)泥齡d亞硝酸鹽氨氮進(jìn)水g/L出水g/L進(jìn)水g/L出水g/L去除率260.040.061010360.020.5400.0250.6302033.3450.011.22510604討論4.1去除有機(jī)物在本工藝中的中空纖維實(shí)際上是生物膜的載體，微生物種群在本工藝中的分布與常規(guī)的生物膜法和活性污泥法不同，所以在降解污染物的才能方面有

10、其獨(dú)特之處。首先分析生物膜的特點(diǎn)。常規(guī)的生物膜法有機(jī)物和溶解氧由生物膜同一側(cè)進(jìn)入膜內(nèi)部，所以在生物膜的外表好氧微生物生長條件較內(nèi)部深處要好得多。在外表旺盛生長的微生物消耗了大局部溶解氧，使生物膜內(nèi)部處于供氧缺乏甚至無氧狀態(tài)，于是從生物膜外表至底部出現(xiàn)了供氧充足、缺氧和無氧區(qū)域，各區(qū)域內(nèi)分別對應(yīng)生長的是好氧、兼性和厭氧微生物。這就帶來了以下問題：首先，假如污水中有機(jī)物濃度過大那么外表旺盛生長的微生物將使生物膜生長過厚，從而堵塞載體或?yàn)V料間的空隙；其次，因?yàn)閰捬跫?xì)菌產(chǎn)生的代謝物質(zhì)的作用，導(dǎo)致生物膜脫落；另外，為了保證給微生物足夠的溶解氧，一般采用污水流速較快或曝氣的方法，這也易使生物膜脫落水中，所

11、以要在其后設(shè)一個沉淀池將其別離。在本工藝中污水的有機(jī)物和氧氣分別從生物膜的兩側(cè)進(jìn)入，即二者的濃度梯度方向是相反的。這對分解水中的有機(jī)物很有好處，如在生物膜的最外層有機(jī)物濃度最大但溶解氧濃度最小，而在生物膜的底部那么恰好相反，這樣好氧微生物的兩個生長控制因子得以互相協(xié)調(diào)和抑制，其結(jié)果是使生物膜協(xié)調(diào)地生長于一個相對固定的厚度范圍，不會因有機(jī)物的濃度大而過度生長形成堵塞。在試驗(yàn)中觀察到的生物膜沿水流方向的生長狀態(tài)也證明了這一點(diǎn)，從污水進(jìn)水端至出水端，有機(jī)物濃度相差逾十倍，生物膜的厚度卻根本一樣，僅僅是生物膜的密實(shí)程度進(jìn)水端較出水端密實(shí)一些，顏色也略深一些。同樣因?yàn)楸竟に嚦浼冄酰锬ど喜淮嬖趨捬鯇樱?/p>

12、全部生物膜都是活性生物膜。在生物膜的最外層有一個微溶解氧層，在該層有機(jī)物的濃度最大。這一情況極適于衣球細(xì)菌生長，這種細(xì)菌對有機(jī)物有著極強(qiáng)的分解才能。試驗(yàn)中觀察到生物膜的外表從進(jìn)水端到出水端附近約三分之二一段生長著一層白色絲狀菌膜，根據(jù)任南琪等人的描繪1，此即衣球細(xì)菌菌膜。這一現(xiàn)象在其他工藝中是不多見的，筆者認(rèn)為這是本工藝去除有機(jī)物效果較好的關(guān)鍵。4.2SS的去除從工藝流程中可看出反響器內(nèi)水流是由下向上流動的，可將其視為一個豎流式沉淀池與一個接觸氧化池的組合體。由于試驗(yàn)的接觸時間是34h，上升流速僅為0.0180.024/s，只相當(dāng)于一般豎流式沉淀池所采用上升流速的1/101/5，所以污水中所挾

13、帶的懸浮物除膠體外幾乎全部可以通過沉淀作用而去除。試驗(yàn)中觀察到反響器靠近進(jìn)水口處的混濁程度明顯大于其上部，這一現(xiàn)象佐證了上述分析。另外生物膜吸附也去掉了一局部SS。4.3去除氨氮由試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著試驗(yàn)時間的推移，處理水中的亞硝酸鹽濃度在增加，到45d時，氨氮的去除率已到達(dá)60%，但亞硝酸鹽氮濃度增加量與氨氮的下降量并不一致。按照硝化過程：氨氮的減少數(shù)量與亞硝酸鹽氮的增加數(shù)量應(yīng)當(dāng)是對應(yīng)的，但在本試驗(yàn)中并非如此。合理的解釋應(yīng)當(dāng)是同時還進(jìn)展著另外兩個過程：由于出水的pH值并未顯著降低，猜想以過程(3)為主，但因條件限制，本次試驗(yàn)未能就此加以驗(yàn)證。去除氨氮效果較好的原因與本工藝中微生物所處的特別環(huán)境

14、及其特殊的微生物種群分布有關(guān)：在生物膜的最內(nèi)層即與中空纖維相接局部是溶解氧濃度最大的局部，而污水中的有機(jī)物濃度經(jīng)過外層微生物的降解后抵達(dá)此部位時已經(jīng)大大降低，在該部位污水中的/N比值也大大下降，這非常有利于硝化微生物生長。所以筆者認(rèn)為與其他工藝不同，在本工藝中硝化作用不僅僅是發(fā)生在反響器的末端，待污水中總有機(jī)物濃度降低到一定程度后才開場，而是在原污水接觸到生物膜一段時間，當(dāng)有機(jī)物濃度略有下降后就已經(jīng)在其后的生物膜內(nèi)層開場了。假如原污水的有機(jī)物濃度較低，那么可以認(rèn)為幾乎全部生物膜內(nèi)層都有一個生長良好的硝化細(xì)菌膜存在。所以得出結(jié)論：降解有機(jī)物和去除氨氮在本工藝中是同步或局部同步進(jìn)展的。本工藝脫除氨

15、氮效果較好的另一個原因就是采用了純氧，這可使硝化微生物的活性進(jìn)步數(shù)倍。4.4抗有機(jī)負(fù)荷沖擊才能本試驗(yàn)中進(jìn)水的有機(jī)物濃度最高值與最低值之間相差2.5倍，但出水的BD5數(shù)值波動不大。每次受到有機(jī)負(fù)荷沖擊后經(jīng)23d的適應(yīng)，出水水質(zhì)便恢復(fù)良好，這說明本工藝與其他生物膜法一樣，有較好的抗有機(jī)負(fù)荷沖擊才能。4.5接觸時間與有機(jī)物去除率的關(guān)系本試驗(yàn)接觸時間與有機(jī)物去除率關(guān)系如圖2。從中可以發(fā)現(xiàn)，只要接觸時間3h即可分別得到90%(BD5)或80%(Dr)以上的去除率。4.6生物膜的老化與更新問題常規(guī)生物膜法存在生物膜老化與更新的問題，因此需設(shè)置二沉池進(jìn)展泥水別離，其原因是生物膜底層有一層厭氧層，該層所產(chǎn)生的

16、代謝產(chǎn)物要透過好氧層向外逸出，結(jié)果是使好氧層生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)遭到破壞，導(dǎo)致生物膜凈化功能下降，即出現(xiàn)老化問題。又因氣態(tài)代謝產(chǎn)物不斷逸出，減弱了生物膜在其載體上的附著力，造成脫落與更新問題。但就本工藝而言，生物膜中沒有厭氧層存在，局部老化、死亡的微生物停留在生物膜上被氧化掉，因此只有少量的生物膜脫落，但它們不會隨著處理水流出，而是沉入反響器底部與沉淀的SS一同排除。4.7進(jìn)一步研究、改良的展望本工藝的一次性投資比擬高，主要是目前中空纖維膜的消費(fèi)并未形成規(guī)模，所以售價比擬高。隨著膜工業(yè)的開展，這一問題會得到解決。本工藝除有氧化降解有機(jī)物的功能外，尚有良好的硝化功能，但這并未完成污水脫氮過程。如能

17、對中空纖維組件加以改良，使中空纖維外側(cè)或附近有一些能讓厭氧微生物附著生長的普通載體，那么可利用污水中的有機(jī)物作為碳源，完成反硝化，實(shí)現(xiàn)脫氮，同時也進(jìn)步了氧的利用率。雖然本試驗(yàn)在中空纖維中充入的是純氧，但是通過前面的分析可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過一段時間的運(yùn)行，氣體循環(huán)回路中的氣體已不完全是純氧，而是混有許多在分壓差作用下從水中溶出的氮?dú)?、二氧化碳等其他氣體，在氣體循環(huán)回路中充入純氧僅進(jìn)步了氣體中的氧分壓。這就有了一個啟示：可否直接用空氣進(jìn)展充氧，其結(jié)果將會大大降低運(yùn)行本錢。由于本工藝中微生物種群分布的特殊性，生物膜上微生物的種類和數(shù)量等可能與其他常規(guī)微生物法有所不同，這需要作進(jìn)一步的研究，為本工藝的完善找出生物學(xué)的指導(dǎo)根據(jù)。5結(jié)論用本工藝處理城市污水，可以在一個反響器內(nèi)使BD5、Dr和SS的